Birger Andresen, Trondheim Astronomiske Forening (taf-astro-no)

1. Stjernespektra og stjerners fødsel, liv og død Birger Andresen, Trondheim Astronomiske Forening (www.taf-astro-no) Medlemsmøte 5. oktober 2011

2. Hovedfokus Stjerneutvikling HR Diagram Spektrum Foto: Erlend Rønnekleiv

3. Temaer • Verktøy / Hjelpemidler • Lysstyrker og lysstyrkeskalaer • Spektrum og spektralklasser • Stjerners farge og fargeindeks • Hertzsprung-Russell diagrammet • Stjerners fødsel, liv og død • Hvordan finne alderen på en stjernehop

4. Lysstyrkeskalaen Lysstyrken til stjerner måles med en skala som er slik at en forskjell på 5 magnituder tilsvarer en lysstyrkeforskjell på 100. Ett trinn på magnitudeskalaen utgjør derfor en forskjell på 2,512. Skalaen er definert slik at de sterkeste stjernene har en lysstyrke på ca. 0, mens svake stjerner har høye positive lysstyr-ker. Vega er kalibreringsstjerne (0 mag). De svakeste stjernene en person med godt syn kan se ved gode forhold langt unna sjenerende lys er ca. +6,5 mag. Med 14 tommer teleskopet til TAF ser vi på gode kvelder stjerner ned mot lysstyrke +15,5 mag.

5. Stjerners lysstyrke • Tilsynelatende lysstyrke • Den lysstyrken vi ser stjernen med på himmelen her fra jorda. • Absolutt lysstyrke • Den virkelige lysstyrken stjerner har. Denne lysstyrken avtar med avstanden. Vi kan beregne hvor mye lys en stjerne sender ut dersom vi vet avstanden til den og hvor mye gass og støv det er mellom oss og stjernen. Den absolutte lysstyrken til en stjerne er lik den tilsynelatende lysstyrken stjernen hadde hatt dersom den befant seg akkurat 10 parsec = 32.6 lysår unna oss. Sola har en absolutt lysstyrke på 4,83 mag.

6. Spektrum Kontinuerlig spektrum fra for eksempel glødelampe

7. Gass som bestråles av kontinuerlig kilde gir linjespektrum; absorpsjons-spektrum hvis kilden er bak gassen, ellers emisjonsspektrum : Emisjonsspektrum (lyse linjer) Hovedanvendelse: Bestemmelse av hvor mye av ulike grunnstof-fer og molekyler som en gasståke inneholder. Absorpsjonsspektrum (mørke linjer) Hovedanvendelse: Bestemmelse av kjemisk sammensetning av stjerneatmosfærer og gass rundt stjerner. F.eks. stjerneatmosfære eller interstellar gass Ulike typer spektrum Glødende, faste eller flytende stoffer samt sterkt sammenpressede gasser gir kontinuerlige spektre:

8. Emisjonsspektra for utvalgte grunnstoffer Hydrogen Helium Oksygen Nitrogen Silisium Jern Anvendelse: Emisjons- og absorpsjonslinjene, og deres intensitet avslører hvilke grunnstoffer og molekyler som finnes i gasståker og stjernatmos-færer og hvor mye det er av hvert enkelt stoff relativt til f.eks. hydrogen.

9. Guy Spektralklasser O B A F G K M ..., B9, A0, A1, A2, …, A8, A9, F0, F1, ... Undergrupper Oh Be A Fine Girl Kiss Me

10. Typiske stjernespektra

12. Solas spektrum sett fra jordoverflaten (solspektrum modifisert av absorpsjon i vår atmosfære)

13. Stjerners farge Temperaturen på overflaten til en stjerne bestemmer dens farge Stjernens farge Overflatetemperatur (omtrentlig) Rødlig Mindre enn 3500 K Oransje 3500 - 5000 K Celsius = Kelvin - 273 F.eks. 5000C = 5273K 10000C = 10273K Celsius = K - 273 F.eks. 5000 K = 4723C 10000K = 9 723C Gul/gulhvit 5200 - 7000 K Grønnhvit 7000 - 10000 K Blåhvit 10000 - 15000 K Blåfiolett 15000 - 40000 K

14. Stjerners strålingsfordeling Plancks lov:

15. Fargeindeks • Måler lysstyrken i standardiserte spektralområder • Fargeindeks = Forskjellen i to slik områder • B–V fargeindeks er mest brukt • (rød stjerne har høy positiv B-V fargeindeks, • blå stjerne har negativ B–V fargeindeks)

16. Spektralklasser og fargeindeks

17. Hertzsprung-Russell diagram Ejnar Hertzsprung & Norris Russell (1910) Betelgeuse Regulus Capella Sirius Betelgeuse : Absolutt lysstyrke = -5 Regulus : Absolutt lysstyrke = -0.3 Capella : Absolutt lysstyrke =0.6 Sirius : Absolutt lysstyrke = 1.5 Sola : Absolutt lysstyrke = 5.0 Spektralklasse M2 Spektralklasse G2 Spektralklasse A0 Spektralklasse G2 Spektralklasse B7 Sola 41 453 stjerner fra Hipparcos katalogen

18. Resten er stort sett gule og røde kjemper 90% av alle stjernene ligger på hovedserien Hva slags type stjerner dominerer i antall ? Kvalitetsdata for 41 453 stjerner fra Hipparcos katalogen

19. Ulike stjernetypers ’hjemsted’ i H-R diagrammet

20. Sola = G2 V Rigel = B8 Ia Aldebaran = K5 III Lysstyrkeklasser

21. Fase 1 fødsel & barndom : Fase 1 fødsel & barndom : Solas utvikling T Tauri stjerne Kjernereaksjoner starter så smått samtidig som stjernen trekker seg mer sammen (T-Tauri variabel stjerne) En stor gassky trekker seg sammen Stjernen beveger seg mot punkt 2 hvor kjerne-reaksjon overtar som hovedenergikilde Hele denne fasen tar ca. 30 millioner år Sola varmes opp når gassen samles Sola begynner å lyse svakt og rødlig i punkt 1 i H-R diagrammet Stjernen er nå på hovedserien

22. Stjerners fødested

23. Overflatetemperatur ca 6000C Solas utvikling Fase 2 (Stabilt liv på hovedserien) : Hydrogen omsettes til helium og energi Denne fasen varer ca. 10 000 millioner år (90% av levetiden) Lysstyrken øker litt i denne fasen

24. Strålingstrykk Tyngdekraft Solas utvikling En stjernes størrelse Stjernens størrelse bestemmes av balansepunktet mellom tyngde- kraften og strålingstrykket. Stjernen må derfor utvide seg for å ’lette på trykket’ dersom temperaturen i kjernen øker slik at strålingen også øker.

25. Strålingstrykk Tyngdekraft Stjernen blir rødere når den utvider seg fordi overflaten øker mer enn strålingen slik at temperaturen på overflaten synker selv om temperaturen i kjernen øker. Solas utvikling En stjernes størrelse Strålingstrykk Tyngdekraft Stjernens størrelse bestemmes av balansepunktet mellom tyngde- kraften og strålingstrykket. Stjernen må derfor utvide seg for å ’lette på trykket’ dersom temperaturen i kjernen øker slik at strålingen også øker.

26. Fase 3 (Overgang til rød kjempestjerne) : Temperaturen i kjernen blir høy nok til at helium starter å ’brenne’ (helium-flash) når ca. 10% av stjernen er omdannet til helium. Solas utvikling Når nesten 10% av stjernen er om- dannet til helium, begynner energi- omsetningen og temperaturen i kjernen å øke raskt. Strålingstrykket øker slik at stjernen utvider seg og blir en rød kjempestjerne. Stjernen er nå i punkt 3

27. Solas utvikling Fase 4 (Kjernekollaps) : Helium-flash’et fører til en delvis kollaps av kjernen, og sola øker gradvis sin overflatetemperatur (blir gulere) samtidig som den sender ut litt mindre energi. Den beveger seg mot punkt 4 i H-R diagrammet.

28. Den blir en enda større rød kjempestjerne. Solas utvikling Fase 5 (Overgang til større rød kjempestjerne) : Sola begynner nå å utvide seg igjen samtidig som den sender ut enda mer energi totalt. Den beveger seg mot punkt 5 i H-R diagrammet.

29. Inne i tåken kommer det til syne en svært varm rest av stjernen. Denne består hovedsakelig av karbon og oksygen omgitt av et tynt lag med helium, og noen ganger litt hydrogen helt ytterst. Vi får en planetarisk tåke Strålingen fra den svært varme kjernen er nå så sterk at de ytre delene av stjernen blåses vekk med en hastighet på noen titalls km/sekund. Stjernen beveger seg mot punkt 6 i H-R diagrammet Solas utvikling Fase 6 (Dannelse av planetarisk tåke) :

30. Planetariske tåker

31. Foto: Erlend Langsrud Foto: Erlend Langsrud

32. Kjernereaksjonene har stanset Stjernen avkjøles langsomt og beveger seg mot punkt 7 i H-R diagrammet Solas utvikling Fase 7 (Avkjøling til hvit dvergstjerne) : Jorda og hvit dverg

33. Eta Carinae Rød superkjempe etter bare 1-5 millioner år Snart ’ferdigbrent’ stjerne med opprinnelig masse lik 20 solmasser Stjerne med minst 8 solmasser Sola Jo mer masse stjernen har, desto raskere utvikler den seg.

34. Supernova Eta Carinae Foto: E. Langsrud, E. Rønnekleiv & B. Andresen Foto: Arne Danielsen

35. Etter supernovaeksplosjonen Svart hull Nøytronstjerne Masse > 3 solmasser Typisk diameter = ca. 30 km Typisk masse = ca. 1,4 – ca. 2 solmasser Typisk diameter = 10-20 km

36. Aldersbestemmelse av stjernehoper Vi utnytter at : Pleiadene (M45) • Stjerner med stor masse utvikler seg raskere • enn stjerner med liten masse, og vi vet hvor fort. • Vi vet hvor på H-R diagrammet stjerner med ulik • masse skal ligge når de er på ulike utviklingstrinn • Alle stjernene i en og samme åpne stjernehop • eller kulehop er tilnærmet like langt fra oss • Alle stjernene i en og samme åpne stjernehop • eller kulehop er dannet omtrent samtidig • (i astronomisk forstand) • Det dannes stjerner av alle størrelser dersom • det bare er mange nok totalt Foto: Erlend Langsrud M10

37. Svært ung hop : Alle stjerner på hovedserien med unntak av noen som er på tur inn på den i nedre høyre hjørne og noen på tur ut mot kjempe-stadiet oppe i venstre hjørne.

38. Turn-off punkt Gammel hop : Kun de minste stjernene er på hovedserien. Alle massive stjerner er gått over i kjempestadiet, eller er blitt hvite dverger

40. Aldersbestemmelse av stjernehoper med HR diagram Illustrasjon: Terje Bjerkgård

41. Eksempler for åpne hoper

42. M5 M3 Eksempler for kulehoper Ca. 13 milliarder år Ca. 8 milliarder år

43. Eksempler for kulehoper Ca. 14 milliarder år Ca. 14 milliarder år M 92

44. Eksempler for kulehoper Ca. 13 milliarder år M 15

45. Oppsummering av stjerneutvikling

46. Takk for oppmerksomheten Galakse 30 millioner lysår unna som man mener er svært lik Melkeveien Totalt 52 minutter Foto: Erlend Langsrud og meg (TAF) 46